ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMA TY KA z. 66
San WAJLER
SAMOWZBUDNE PRZETWORNICE OWUTAKTOWE ZE STABILIZACJĄ, NA PIĘCIA I PRĄDU WYJŚCIOWEGO
Stre sz cz an ie. W artykule omówiono działanie i przedstawiono prze- biegi czasowe występujące w samowzbudnych przetwornicach dwutakto- wych. Dla zakresu stabilizacji napięcia wy jś ci ow eg o i dla pracy w obszarze zabezpieczenia nadprędowego obliczono zm ia ny c z ęs to tl iw oś
ci przetwarzania. Z kolei zaproponowano taki sposób kształtowania charakterystyki wyjściowej zasilacza, który zapewnia pracę 3amo- wzbudnej przetwornicy dwutaktowej w ponsdakustycznym zakresie cz ęs
totliwości przetwarzania. Wy niki obliczeń zaprezentowane zostały w formie wy kresów o współrzędnych bezwymiarowych, dzięki czemu stan o
wić mogę cennę pomoc przy projektowaniu zasilaczy Impulsowych w opar
ciu o samowzbudne przetwornice dwutaktowe.
1. Wstęp
Samowzbudne przetwornice dwutaktowe z ujemnym sprzężeniem zwrotnym sę klasę przetworników napięcia, które rokuję obecnie największe możliwości zastosowań w grupie zasilaczy o małej mocy wyjścia (5 W do 30 IV), czyli w tzw, klasie mlkroprzetwornic. Praca samowzbudne nie wymaga dodatkowych źródeł zasilania układów sterujęcych zasilacza. Jak to ma miejsce w za si
laczach obcowzbudnych ó stałej częstotliwości pracy. Zmniejsza się przez to liczba elementów użytych do budowy zasilacza impulsowego, co istotnie zwiększa niezawodność układu. Jednocześnie wp ro wadzenie ujemnego sprzęże
nia zwrotnego z wykorzystaniem elementów optoelektronicznych pozwala z a chować galwanicznę izolację wejścia i wy jścia przy zapewnieniu st ab il iz a
cji napięcia wyjściowego.
W stosunku do rozwięzeń ko nwencjonalnych (stśbillzatory cięgłe) uz ys
kuje się zmniejszenie wy mi ar ów i wzrost sprawności zasilacza. Jednakże projektowanie samowzbudnych przetwornic dw ut ak to wy ch ze sprzężeniem zw ro
tnym sprawia cięgle sporo kłopotów. Musi być poprzedzane gruntownę an al i
zę zjawisk występujęcych w przetwornicy w różnych zakresach pracy. PrzyJ- mujęc model transformatora uw zględnięjęcy rozproszenie magnetyczne mi ęd zy stronę pierwotnę a wtórnę w artykule wy zn ac zo no zmiany częstotliwości przetwarzania dla samowzbudnych przetwornic dwutaktowych objętych pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. W dalszej części omówiono zagadnienie kształ
towania charakterystyki wyjściowej zasilacza impulsowego z przetwornicę ________ 1983 Nr kol. 752
106 3. Wajler
dwutaktowę. Wyniki obliczań przedstawione sę w postaci w z o r ó w i w y k r es ów o ws pó łrzędnych bezwymiarowych.
2. Przebiegi czasowe prądów i napięć
Na rys. 1 przedstawiono schemat ideowy dwutaktowej pr ze twornicy samo
wzbudnej z Jednym tranzystorem kluczujęcym,Uzwojenie T Jest głównym uzwo-
Rys. 1. Schemat ideowy samowzbudnej przetwornicy dwutaktowej
Jeniem strony pierwotnej transformatora, II - uzwojeniem do da tk ow ym stro
ny pierwotnej, zaś IV - uzwojeniem strony w t ó r n e j . Znajdujęce się na stro
nie pierwotnej sterujęce uzwojenie III zapewnia odpowiednię polaryzację złęcza baza-emiter tranzystora, zaś sprzężenie magnetyczne występujęce dzięki niemu Jest waru nk ie m somooscylacyjnej pracy układu.
Do analizy samowzbudnej przetwornicy dwutaktowej o powyższym schemacie ideowym przyjęto następujęce założenia;
1. Rdzeń jest bezstratny i praca odbywa się na liniowej części krzywej magnesowania. W a ru ne k ten spełniony będzie dla przetwornic samowzbudnych, w których o wyłęczenlu tranzystora decyduje osięgnięcie przez pręd kolek
tora do odpowiedniej wartości, nie zaś nasycenie rdzenia magnetycznego.
2. Rezystancje 1 pojemności wł as ne uzwojeń transformatora sę ni ew ie l
kie i ich wp ł y w może być za ni ed ba ny [l], £2].
Rj R 2 ¡s
Samowzbudne przetwornice dw ut a k t o w e . .. 107
3. Przepływ uzwojania sterujęcogo i3z g JeBt znacznie mniejszy od p r z e pływów pozostałych uzwojeń i w analizie nie będzie uwzględniony.
4. Uzwojenia I i II strony pierwotnej o Jednakowej liczbie zwojów z nawinięte sę tak, by strumień rozproszenia magnetycznego między nimi był znikomo mały. W zwięzku z tym można przyjęć, że ich indukcyjności własne Lpl' Lp 2 0r3Z indlJkcyjnoś'ć wzajemna M pl2 sę sobie równe (l_pl » Lp2 -
“ M p i 2 ” *~p^‘ dobre spełnienie powyższego warunku uzyskuje się przy bifilarnym nawinięciu uzwojeń.
5. Rozproszenie magnetyczne między stronę pierwotnę a wtórnę w trans
formatorze jest reprezentowana przez współczynnik sprzężenia uzwojeń k.
wt órnego o z^ zwojach, M indukcyjnościę wzajemnę uzwojenia wt órnego i głównego (lub dodatkowego) uzwojenia strony pierwotnej.
6 . Składowe zmienne napięć we jś ci ow eg o E i wy jś ci ow eg o UQ dla c z ę
stotliwości przetwarzanie sę pomijelnie małe w odniesieniu do składowych stałych tych napięć [l] , [sj.
7. Tranzystor i diody przełęczane sę w bardzo krótkim czasie. Na na sy
conym tranzystorze występuje spadek napięcia U CE , na przewodzęcej diodzie napięcie U F , zaś w stanie zablokowania tranzystor i dioda st an o
wię przerwę. Dla uproszczenia przyjęto U„c ■ U_.
lut Sfl t F
8 . Przetwornica samowzbudna pracuje na granicznym cyklu stabilnym przy stałym napięciu wejściowym i ustalonym prędzie wy jś ci ow ym 1Q i napięciu wyjści ow ym Ug.
Przy spełnieniu powyższych założeń dla samowzbudnej przetwornicy dwu- taktowej można przyjęć schemat zastępczy przedstawiony na rys. 2 .
Rys. 2. Schemat zastępczy samowzbudnej przetwornicy dwutaktowej
Napięcia i prędy oraz indukcyjność uzwojeń strony pierwotnej zostały przeniesione na stronę wtórnę, przy czym przyjęto przekładnię transforma
tora n « Stan przewodzenia lub blokowania tranzystora i diod został w
uwzględniony w schemacie zastępczym przez wprowadzenie synchronicznych
c \a I \ t 1 I A I \t
O c
b-o
■ p 2 ¡p1
kluczy 1 Kj,, których pcłożanie odpowiada kolejnym fazom cyklu pracy przetwornicy dwutektowoj. Analizę układu rozpocznijmy na początku pi er
w s ze go taktu, tj. w chwili, gdy tranzystor zaczyna przewodzić (t u C ) . podajęc na uzwojenie pierwotne I napięcie V » E - V . r . Dla prze-
p lii; 53t
twornicy samowzbudnej dwutaktowoj strumień w rdzeniu na poczętku p i e r wszego taktu Jest zawsze rówry zeru, tak w.ięc pręd w uzwojeniu I zacznie od zora narastać liniowo. Napięcia indukowane na uzwojeniach XI i IV mają taki znak, że diody i spolaryzowane sę zaporowe. Taktowi pier
wszemu odpowiadać będzie na schemacie zastępczyń położenie kluczy K, i K 2 w pozycji a.
Po upływie czasu tfl pręd uzwojenia I osięga wartość, przy której n a stępuje wyłączenie tranzystora T (koniec plerwszago taktu). Przarwanle prądu w uzwojeniu I powodują, że nepięcia na wszystkich uzwojeniach z m i e niają znak i będą narastać (opadać! do takiej wartości, przy których di o
dy Dj i D2 zostanę spolaryzowano w kierunku przewodzenie. Z chwilę gdy zacznie przewodzić dioda C ł , pr zepływ wytworzony przez uzwojenie Dierwo- tne I zostania w csłości przyjęty przaz uzwojenie dodatkowe II ze w z g l ę du na silne sprzężenie tych uzwojeń, Dzięki temu maksymalne wartość na
pięcia UCE tranzystora zostanie ograniczone do wartości 2 E. Ujemne na
pięcie na uzwojeniu sterującym lit utrzymuje tranzystor T w odcięciu, a więc pręd przez uzwojenie I w tym czasie nie płynie.
W uzwojeniu wtórnym IV w chwili wyłęczenia tranzystora prąd był równy zeru. Dla po w y ż 8 z/ch w a r u nk ów początkowych w oparciu o schemat zastępczy, w którym klucze Kj i K2 znajduję eię w pozycji b, można podać równa
nie oolsujęce przebiegi czosowe pr ędów uzwojeń dla czasu
i p l < 0 - O (l)
¿ P S ______________________________________________________________________________ 3. W s j l e r
łp 2 ^ 3 H
V 't V ' - kv
- F - - r L - 2T - " « - » . ) i (2 ) . w d - k K J
kv' - v .
iw (t) - - ■ P' g n (t - t ) (3 )
(l-k R H a
W czasie, w którym odbywa się komutacja między stronę plerwctnę a wtórną, energia zgromadzona w obwodzie magnetycznym w czasie pierwszego taktu Jest teraz odprowadzona do wyjścia ale także z powrotem do wejścia pr ze tw or ni
cy. Komutacja za kończy się w chwili t - tg + tb , gdy prąd uzwojenia d o d atkowego II opadnie do zera.
Czas komutacji t^ między stroną pierwotną e wtórną wyrazić możnn w z o
rem :
Samjwzbudre przetwornice dw ut a k t o w e . ., 109
Vp(l - k2 ) - kVw
(4)
'a + *fc * 1 « % *b + rc (drugi takt cyklu pracy przetv/or- Ola czasu
nicy dwutaktowej) energia z obwodu ma gnetycznego transformatora Jest do' atarczane Już tylko do wyjścia, a pręd w uzwojeniu wt ór ny m opedać będzie liniowe.
Klucze K i i k2 znajduję się w położeniu c. Czas trwania drugiego taktu t podejo wzór:
v> v£ - V
V Vp - kVw )
(5)
W chwili gdy pręd wtórny opadnie do zero, napięcia indukowane na uz wo je
niach transformatora zacznę szybko zanikać. Gdy zniknie ujemne napięcie na uzwojeniu sterujęcym III następi ponowne załęczenie tranzystora dzięki startowany opornikowi Rj.
Osięynięty więc został stan równoważny z chwilę t « 0. Przebiegi c z a
sowa prędów i napięć uzwojeń transformatora pr ze datawlono na rys. 3.
Dla samowzbudnej przetwornicy dwutaktowej suma cżasu t , tb i tc sta
nowi i okros (l pełr.y cykl pracy), więc napięcia wejś ci ow e o'az wyjściowe więzać będzie wzór (6 )
kvi
w (6)
w którym f oznacza częstotliwość przetwarzania (częstotliwość pracy prze
twornicy) , Z kolei, p a m i ę t a j ę c , że wy jś c i o w y pręd obciężonia IQ jest rów
ny średniej wartości prędu uzwojenia wtórnego, można uzależnić czas trwa- riia pierwszego taktu t od prędu obciężenla p r z o t w o r n i c y .
2Io (vi_ kV~ > Lw Vw f kV^(kVp - V j
(7)
3. Częstotliwość przetwarzania przy stabilizacji napięcia wy jś ci ow eg o
Istotnę cechę przetwornic samowżbudnych Jest zmienność ich c z ęs to tl i
wości pracy w zależności od napięcia zasilanie i prędu obciężenla. Ob ec
nie większość przetwornic projektuje się tak, by pracowały z częstotlt- wościę 20 kHz do 50 kHz. Wykraczania poza ten przedział bywa z reguły niopożędar.e. Praca przy f < 20 kHz grozi we jściem w zakres częstotli-
110 0. Wb.1 ler
Rys. 3. Przebiegi czasowe prędów i napięć uzwojeń dla przetwornicy dwu- tektowej samowzbudneJ
Samowzbudne przetwornice dw ut ak to we. 111
wośc i akustycznych, zaś znaczna podwyższenie częstotliwości więżę się ze wz ro st em strat na p r z e ł ę c z a n i o , a więc pogorszeniem sprawności. Stęd też ootrzeba wyznaczenia częstotliwości pracy przetwornicy i zakresu Jej zm i e n ności.
Korzystejęc z wyrażeń (6 ) i (7) można wyprowadzić ogólny wzór na c z ę
stotliwość pracy przetwornicy dwutaktowej
, . J k “ p K (s)
° L" (v; - kvw )(kv^ . y. ) 2
słuszny w różnych warunkach zasilania i obciężenia przetwornicy.
Obecnie, wprowadzając współrzędne b e z w y m i a r o w e , przeanalizuje się zmien
ność częstotliwości pracy w pewnych szczególnych przypadkach.
Dla przetwornicy objętej ujemnym sprzężeniem zwrotnym rozważmy zakres stabilizacji napięcia wyjściowego i stałego obciężenia przy zmianach na
pięcia zasilania. Tak więc VQ « const (co pozwala przyjęć, że Vw »
« const), IQ * const, zaś Vw • var. W tym stanie pracy wy godnie Jest wprowadzić do wzoru (3) współrzędną bezwymiarową
a -
K
w
Ostatecznie wzór (8 ) sprowadzany do współrzędnych bezwymiarowych ma pos
tać :
F « jL— . 4 -- —--- 2 -a- "~— łg (9) 1 Ol (1 + a )2 a - kZ
g d z i e :
’»* ■ ¿ f c ( “ >
)
Oako częstotliwość odniesienia fQ1 przyjęto tu częstotliwość pracy ta
kiej przetwornicy, w której k » 1 (brak rozproszenia ma gnetycznego w transformatorze) oraz a » 1 (praca przy napięciu zasilania V p •= Vw ).
Na rys. 4 przedstawiono wykres zależności (9) wyznaczony dla kilku war
tości stałej sprzężenia transformatora k.
Analiza wykresu pozwala sformułować następujące wnioski:
1) ze wzrostem napięcia zasilania częstotliwość przetwarzania rośnie, 2 ) wzrost rozproszenia magnetycznego między obwodem pierwotnym a w t ó r nym powoduje obniżenie częstotliwości.
112 3. W a l l a r
Rys. 4. Częstotliwość pracy w funkcji napięcia wejściowego przy stałym n a pięciu i prędzie wy jś ci ow ym przetwornicy
3) szczególnie duię zmienność częstotliwości obserwuje się dla prscy przy a dążęcyra do 1 .
W y kr es z rys. 4 umożliwia ilościowe określanie zmień częstotliwości przetwarzania przetwornicy dwutaktowej przy zmianach napięcia zasilania o - n % od waru nk ów znamionowych określonych przez współrzędnę a n .
Wpływ zmian prędu obciężenia przetwornicy na częstotliwość jej pracy jest prostszy w interpretacji. Przy stałym napięciu zasilania i st abili
zacji napięcia wy jś ciowego częstotliwość pracy przetwornicy Jest od wr ot
nie proporcjonalna do prędu obciężenla (patrz wzór (8 )). Oznacza to. Ze przy obclęZanlu znamionowym przetwornica pracuj6 z częstotliwością naj- mniejszę. Odciężenle wyjścis przetwornicy do np. 20 % prędu znamionowego powoduje aż 5-krotny wzrost częstotliwości. Tak znaczna zależność c z ęs to
tliwości pracy od prędu obclężenie ogranicza zastosowanie samowzbudnyoh przetwornic dwutaktcwych Jedynie do tych przypadków, gdy przetwornica pra
Samowzbudne przetwornice riwutaktowe.. . 113
cuje z di.żym wstępnym obciążeniem lub gdy jej obciążenie zmienia się w nie
zbyt dużym zakresie.
4. hanowzhudne przetwornice dwutaktowe w obszorze zabezpieczenia r a dp rę- d owcgo
W technice układów zaailajęcych stosowane sę różne struktury za be zp ie
czeń n a d p r ę d o w y c h , gwarantujęce uzyskanie odpowiedniej charakterystyki wyjściowej zasilacza UQ = g(le ). Przykłady takich charakterystyk prze d
stawiono na ryo. 5e-d.
a) bi
Rys. 5. Różna warianty charakterystyki wyjściowej zasilacza w obszarze zabezpieczenia nadprędor/ego
Charakterystyki powyższe sę identyczne na odcinku O-N, tj. dla za kr e
su stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach prędu obciążenia od O do prędu znamionowego 1^. różnię się natomiast na odcinku N - 2 , czyli od obclężonla znamionowego do zwarcia wyjścia. W zasilaczach o charakterys- tycs wyjściowej Jak no rys. 5a po przekroczeniu prędu znamionowego na st ę
puje zerwanie drgań, a napięcie i pręd wy jś ci ow y pozostaję równe zeru. Do-
114 0 . V/a.1 lor
piero zwiększanie rezystancji obcięZenia powyżej RQN « -j— powoduje po^ON prawno wzbudzenie się układu.
Przetwornice o charakterystykach wyjściowych jak na rys. 5b-d na od
cinku od obclężenia znamionowego do zwarcia drgań nie zrywaję, a pręd zwarcie lz może być odpowiednio mniejszy, równy lub wi ęk sz y od prędu znamionowego.
Kryterium, według którego należy wybrać odpowiedni typ charak te ry st y
ki. Jest najczęściej moc strat w zasilaczu, która w zakresie za be zp ie cz e
nia nie powinna przekraczać mocy traconej w wa ru nk ac h znamionowych. Ola samowzbudnych przetwornic dwutaktowych należy uwzględnić ponadto zakres zmian częstotliwości przetwarzania dla pracy na odcinku N- Z ch ar ak te ry s
tyk UQ - g(lQ ).
Na poczętek rozpatrzmy własności zabezpieczenia za pewniajęcego stabi
lizację prędu od obclężenia znamionowego (punkt N) do zwarcia (punkt Z 3 ).
Analizujęc 2 miany częstotliwości na odcinku N-Z3 charakterystyki wy jścio
wej załóżmy, że napięcie wejściowe przetwornicy E Jest stałe, a więc i napięcie Vp pozostaje stałe. Poeługujęc się dla tego obszaru pracy współ-
V
rzędnę bezwymlarowę A ■ — , przy czym O < A <. 1, można przekształcić wzór (8 ) do poniższej postaci:kVp
f . JfL_ 4 LŁ-r_Ą2Ak (11)
0 w (l - Ak ) (l ♦ A)
lub dla ws pó łrzędnych bezwymiarowych:
F2 (a) u J - * ą ----( l - - .A)Ak--- (l2) 2 0 2 (1 - Ak ) (l + A )2
V '
fQ2 ” - Jest częstotliwośclę pracy przetwornicy w warunkach zna- 0 w mionowych przy stałej sprzężenia uzwojeń transformatora
k - 1 .
wykres na rys. 6 zależności (l2 ) pozwala prześledzić zmiany częs to tl i
wości pracy od obclężenia znamionowego przy A^ (an nie może zbytnio zbliżyć 'się do 1) do zwarcia (a blisko 0). Generalnym wnioskiem, który nasuwa się z analizy wykresu zależności (l2) Jest stwierdzenie, że dla 6 tanów bliskich zwarcia wy jścia przetwornicy (a zdęża do 0 ) częstotli
wość spada do O niezależnie od stałej k. Oznacza to pracę przy często
tliwościach akustycznych" dla zabezpieczenia nadprędowego ze stabilizację prędu. Oest to oczywiście niekorzystne cecha samowzbudnych przetwornic dwutaktowych.
Samowtbudnn przetwornice dwurektowe. 115
Postarajmy się więc odpowiedzieć na pytanie: Jak należy ukształtować charakterystykę wyjściową przetwornicy U0 - g(lQ ) . czyli dla ws pó ł r z ę d nych bezwymiarowych A ■ • a b y w zakresie działania zabezpieczenia nadprądowego częstotliwość pozostawała stała.
Szuksnę zależność między prędem i napięciem wy jś ci ow ym w formie uw ik
łanej przedstawia wzór (ll) o ile przyjęć, że f » fQ » const. Oznaczając przez bezwymiarową współrzędną prądu wyjściowego (oQ « - p — ) można
podać związek (13) między bezwymiarowym napięciem i prądem wyjściowym, którego zachowanie zapewnia pracę przetwornicy samowzbudnej ze stałą cz ęs
totliwością w obszarze zabezpieczenia nadprądowego.
Rys. 6 . Częstotliwość przetwarzania przy stabilizacji wy jś ci ow eg o prądu przetwornicy F£ (a) oraz kształt charakterystyki wyjściowej zasilacza G0 ( a ) , utrzymującego stałą częstotliwość przetwarzania w obszarze zabez-
pieczenia nadprądowago
116 3. Wajler
o 0 (a) Ak(l
*«r JlL (l - A k ^ i l + A)'
(13)
Po nieważ funkcje Fg(A) oraz 3q(a ) opisane są identyczną zależnością, wykres na rys. 6 na podwójną oś odciętych (F,,, 3Q ) . Dla przetwornic dwu- taktowych samowzbudnych o znikomo małym rozproszeniu ma gn et yc zn ym między stroną pierwotną a wtórną (k ■ 1 ) utrzymanie stałej częstotliwości prze
twarzania przy za bezpieczeniu nadprądowym wymaga zmniejszania prądu w y j ściowego w miarę opadania napięcia wy jś ciowego (charakterystyka foldback).
Oeśli natomiast k < 1 , to charakterystyka wyjś ci ow a przetwornicy musi mieć bardziej złożony kształt.
Oczywiście odrębnym i wcale nie prostym za
gadnieniem będzie pr ak
tyczna realizacja ta
kiej- charakterystyki na
A
1P A N
as
J<=Q97
© /
(/ _^
— r— i----i- i — i
' ©
..1 .. 1 . Am i n ---
odcinku A.N nie
A
(obcięże- do min
05 1,0 3c
Rys. 7. Ch ar ak te ry st yk i wyjściowe przetwornic pracujących w po na da ku st yc zn ym paśmie c z ęs to
tliwości przy za be zp ie cz en iu nadprądowym
znamionowe) u F
(przy zwar- kV'
clu wyjścia). S p ró bu j
my wi ęc osłabić kryt e
rium stałej c z ęs to tl i
wości do warunku, by częstotliwość przetwa
rzania przy o g ra ni cz e
niu nadprądowym była nie mniejsza od górnej granicy pasma akus- tycznego. Przy tak przy
jętym wa runku charakterystyka wyjś ci ow a pr ze tw or ni cy powinna znajdować się na lewo od krzywej A = h(30 ) odpowiadającej stałej częstotliwości pracy.
No rys. 7 przeds ta wi on o przykłady charakterystyk wy jś ci ow yc h samowzbu- dnej prze tw or ni cy dwutaktowej o sprzężeniu uzwojeń k *■ 0,97, które speł
niają ostatni warunek, a są Jednocześnie dużo prostsze w praktycznej r e alizacji.
Innym rodzajem pracy jest przeciążenia prądowe przetwornicy w sy t u a cji. gdy nie zastosowano żadnego układu ograniczającego prąd wyjściowy.
W samowzbudnych pr ze twornicach dwutaktowych stan taki jest z reguły d o puszczalny. gdyż energia z wejścia do wyjścia nie jest przekazywana wprost lecz w dwu taktach. W związku z tym do wyjścia nie można przekazać więcej energii ponad to, co zostało zgromadzone w rdzeniu w pierwszym takcie.
Przy pr ze ci ąż en ia ch prądowych i zwarciach wyjścia do awarii nie dojdzie,
Samowzbudne przetwornice dwutaktowe. 117
Jednakże trzeba określić warunki pracy tranzyatorB i diod (zwłaszcza przy zwarriu wyjścia) i porównać Je z obciążeniem znamionowym.
Układy sterowania tranzystora eę projektowane tak, by z chwilę, gdy pręd kolektorowy osiągnie zbyt dużą wartość, następowało natychmiastowe wyłęczenie tranzystora. Ograniczenie prędu tranzystora przy stałym na p i ę ciu wejściowym E oznacza, że czas trwania pierwszego taktu nie może przekroczyć pewnej wartości maksymalnej t _ 0„. Wartość t odpowie-
I 8 u>9 X cl nici X
da najczęściej czasowi trwania piorwszego taktu dla pr ze tw or ni cy pracuję- cej w warunkach znamionowych. W przetwornicach, które posiadaję tylko J e dno sprzężenie zwrotne z wyjścia do wejścia (wykorzystywana dla st abili
zacji napięcia wyjściowego), przy prędach obciężenia wi ęk sz yc h od z n a m i o nowego przetwornica pracuje ze stały« czasem pierwszego taktu równym ta Bax- W takim stanie warunki pracy elementów strony pierwotnej przetwornicy b ę dę nie gorsze niż przy obclęźeniu znamionowym. Natomiast niewiele można powiedzieć o warunkach pracy elementów strony wtórnej przetwornicy przed wyznaczeniem jej charakterystyki wyjściowej UQ ■ g ^ I g ) .
□ la przetwornicy dwutaktowej somowzbudnej , pracujęcej ze stałym c z a
sem trwania pierwszego taktu, charakterystykę wyjściowę w formie uw ik ła
nej przedstawia wzór (14), który otrzymujemy z relacji (6 ) i (7).
I
,
. ‘ W - w . ) kv^ kv^ - Vgdzie Vw reprezentuje napięcie wyjściowe (Vw = UQ + U p ).
Zakładając, że dla przeciążenia prędowego E • const (a więc V p ■
« con3t) oraz t ■ t a a max * const, można wzór (11) wprowa dz ić do bez- wymiarowej postaci (l5) :
3 (A, . - L i n - . ^ Ł _ . ( » )
0 v pta „ BX w 1 1 - kiv
4 L "
będącej związkiem między napięciea wyjściowym a prądem wyjści ow ym pr ze
twornicy dwutaktowej pracującej ze stałym czasem załączenia tranzystora.
Pręd odniesienia we wzorze (l5) to wartość prądu wy jś ci ow eg o pr ze tw or
nicy dwutaktowej o idealnym sprzężeniu magn et yc zn ym uzwojeń pi er wotnego i wt órnego (k » 1) dla A - l , czyli gdy ^ V « v'.
P 1
Charakterystyki wyjściowe uzyskane ze wz or u (l6 ) przedstawia rys. 8 (linia cięgła).
Dla przetwornic, dla których występuje rozproszenie magnetyczne między stronę pierwotną a wtórną (k < 1), parametr A nie powinien zbliżyć się zbytnio do Jedności, gdyż powoduje to zmniejszenie się mocy wyjściowej
przetwornic. Dlatego też interesujący J 6et dla nac tylko fragment krzy
wych z rys. 8 . począwszy od obciążenia znamionowego (aw , 0 ..) aż do zwar- cls K i n - V -
Oak widać z wy kr es ów dla orzetwornicy dwutaktowej t a m p w z b u d n e i . pracu
jącej ze stałym czassm trwania pierwszego taktu, zmniejszanie rezystancji obciążenia powoduje wzrost prąou wyjściowego i zmniejszanie się napię
cia wyjściowago. Szczególnie cenna jast możliwość określenia, ile razy prąd zwarcia Jeet w i ęk sz y od prądu znamionowego, gdyż wł aśnie przy zwar
ciu przez diodę i uzwojonie wtórne popłynie największy prąd. I tak np.
dla przetwornicy, w której k ■ i, pracującej przy obciążeniu znamionowym z A » l, prąd zwarcia jest dwukrotnie większy od prącu znamionowego.
Z kolei wyznaczyć należy zmiany częstotliwości przetwarzania od obcią- żenią znamionowego do zwarcia,.
Dla współr zę dn yc h bazwynisrowych wyrażać Je będzie wzór (16) otrzymany z równania (ć).
f _ 1 + A N A , ,
T ~ N — a N T~ T" a 1 + A (16)
Oako cz ęs totliwość odniesienia fN przyjęto w (16) częstotliwość prze
twarzania pr ze tw or ni cy pracującej w warunkach znamionowych,, tj, takich, które odpowiadają ma ks ymalnemu prądowi wyjściowemu dla zskresu stabiliza
cji napięcia wyjściowego. Wt e d y do wyjścia przetwornicy jost przenoszona na jw ię ks za moc. Wartość bezwymiarowej współrzędnej napięcia A w wa r u n kach zn am io no wy ch może być dobrana przezj projektanta dość dowolnie, z tym zastrz eż en ie m jednak, by a nie było zbytnio bliskie jedności.
By zi lu st ro wa ć zm ia ny cz ęstotliwości przetwarzania w opisanej' wyżej wersji zabezpieczenia nadprądowego zdecydowano się na Jednolite kryterium w y bo ru A N . Będzie to wartość odpowiadająca punktowi z krzywych na rys.
8 . w którym iloczyn bezwymiarowej mocy wyjściowej (A . 0Q ) osiąga ma k s y malną wartość. Tak więc przy obciążeniu znamionowym (anD n ) wz gl ęd na moc w y jś ci ow a prze tw or ni cy jest największa. Na rys. 8 linią kropkowaną połą
czono punkty od po wiadająca obciążeniu znamionowemu, tj. takie, w których
■jr— ” 1. Na stępna linio kłopkowane łączą punkty na charakte ry st yk ac h w y j ściowych, dla których t— » 0 ,9 ; 0 ,8 ; 0,7 itd.
N
Wi do cz ny z w y k r es ów zn oezny spadek częstotliwości przetwarzania w mia
rę dochodzenia do zwarcia (tj. do A mln - J^_) prowadzić będzie zawsze do pracy w ak us ty cz ny m paśmie cz ęstotliwości? Oadnak należy pamiętać, że ta ostatnia wersja zabezpieczenia nadprądowego ze stałym czasem trwania p ierwszego taktu Jest najprostsza w praktycznej realizacji.
3o Rv6 8 Charakterystyki wyjściowe przetwornicy dwutaktowej pracującej zo
stałym czasem załączenia tranzystora
5. Poosunowanie
2 analizy przedstawionych w artykule w y k r es ów widać, że zaniedbywano często rozproszenie magnetyczne w transformatorze ma dość znaczny wpływ na własności samowzbudnej przetwornicy dwutaktowej, zwłaszcza wtedy, gdy bezwymiarowa zmienna A - kV zdęża do Jedności. Ponieważ przy A blis
kich jedności niekorzystne cechy kumuluje się (silne zmiany częs to tl iw oś
ci przetwarzania, zmniejszanie się mocy wyjścia na przetwornicy), należy unikać pracy w tym zakresie. Zmiany częstotliwości przetwarzania w samo- wzbudnych przetwornicach dwutaktowych przy zmianach napięcia wejś ci ow eg o nie eę zbyt duże, natomiast wyjściowy pręd obciężenia ma no częstotliwość wp ł y w bardzo znaczny. Stęd też tej klasy przetwornice stosowane sę w z a silaczach pracujęcych na stałe obciążenie (luo zmienne w niezbyt szerokim Sa m o w z b u dne przetwornico d w u t a k t o w e ...
120 3. Wallar
zakresie) i przy napięciu we jś ci ow ym zmiennym w dość szerokim zekreeie [3j [4 ]. Praca w zakresie zabezpieczenia nedprędowego prowadzi do znacznego .spadku częstotliwości przetwarzania (praca w paśmie akustycznym). J e dn ak
że w artykule zaproponowano sposób eliminacji tego niekorzystnego z j aw is
ka. Jakkolwiek rozważania prowadzone były dla przetwornic dwutaktowych sa- mowzbudnych, wy ni ki obliczeń mogę być wykorzystane także dla tej grupy obcowzbudnych przetwornic d w u t a k t o w y c h , które w pewnych warunkach pracuję na granicy cięgłości przepływu strumienia magnetycznego w rdzeniu. I tak, zalecenia odnośnie kształtowania charakterystyki wyjściowej przetwornicy w celu utrzymania stałej częstotliwości pracy w zakresie zabezpieczenia nadprędowego znalazły awe praktyczne potwierdzenie w [5].
LITERATURA
[1] Wilson T . : Cross regulation in an energy-storage OC-to-OC converter wi th two regulated outputs. Bell Laboratories Whlppany, New Jersey 1977.
[ 2] Burgum F . : Electrolytic capacitors for output filters of switcbed-mo- de power supplies: discussion of desirable characteristics. Mullard Technical Communications Vol. 13, No 123, July 1974.
[3] Janson L. : Survey of converter circuits for switched-mode power sup
plies. Mullard Technical Communications Vol. 12, No 119, July 1973.
[4 ] Boschert R . : Flyback converters solid state solution to low-coet sw it
ching power supplies. Electronics, December 21, 1978.
[5 ] Slurek R . , Wajler J . : Zasilacz sieciowy 5 V/6 A z przetwornicę dwu- taktowę (praca niepublikowana). Instytut Elektroniki, Politechnika Ślęska 1982.
Recenzent : Doc. dr J. Lucińskl
Wpłynęło do Redakcji 1.V I I . 1982 r.
ABTOKOJEEAIEJlbHHE HByXTAKTHUE I1PE0EPA30BATBJIH CO CTAEHJW3AUKBtt BHXOHHOrO TOKA H HAUPHSEHHil
P e 3 » u e
Pacu aip H BaeTC A paÓOTy h npe.ącTaBJUi£iTCii BpeueHHue A H arpaiuiu BHCiynaiauHe b aBTOKOJieóaieiibHbcc AByxxaKTHHx npeo6pa30BaTejiaac T o n a . B flHaaaaoHe CTaÓKJiK3a—
ijhh BuxoflHoro HanpaxeHBH u
aan
paóoTti c orpaHH>ieHHei< b u xoahoto t o k s pactm - TaHO H3MeHeHHe M acz o iu npeoópaaoBaHHH, Ilpe^JiozceH ueTOfl ijiopuHpoBaHHH Bbocofl- HOJł xapaKTepucTHKK KCTo^HHKa HHraHHH, KOTopbdł oóecne^HBaeT p a fio iy aBTOKOJie- C aie jiB H o ro A B y x x a x m o ro npeoópasoBaTe.iH io x a b cse p x a K ycm q e cK O ii Ananasoue n a c i o m npeoópa30BaHHa,Samowzbudno przetwornice dwutaktowe. 121
Pe3yjitTaiu pac^exa npencxaBaeHti b (Jiopue rpa$HK08 o o6o6e(Sh k h m k KOopsHHar- xaiui, m o b-.neflcTBHTejibHOcTH odaer'iaex 3a,na<iy npoeKiHpoBaHaa h c t o<j h h k o b iih- TaHHH b aBTOKoaefiaxeJibKHX AByxiaKTHicc npeoSpa30BaxeaHx xoica.
SE LF -O SC IL LA TI NG FLYBACK CONVERTER WITH THE OUTPUT VOLTAGE A N D LOAD CURRENT CONTROL
S u m ta a r y
Principles of operation and the current/voltage waveforms in solf-os- cillating flyback converters are presented. The switching frequency chan
ges for voltage control and over-current protection modes of operation of this converters, are calculated. It is also shown that the performance of the self-oscillating converter in the ultrasonic frequency renge is a s s u red by the proper shaping of the output characteristic of the power sup
ply. The results of the calculations derived are plotted in dimensionless coordinates and these curves costitute a guide to the design of the swit- ched-tnode power supplies containing the self-oscillating flyback co nv er
ters.
